Экспериментальное исследование тонкой структуры вихревого течения в жидкости со свободной поверхностью

• Автор: Степанова, Евгения Вячеславовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Периодические течения в однородной жидкости со свободной

поверхностью

1.1. Поверхностные волны

1.2. Теоретические и лабораторные исследования вихревых течений в контейнере

1.3. Некоторые вязкие эффекты в теории вихревого движения

1.4. Численное моделирование вихря в цилиндрическом контейнере

Глава 2. Теоретические модели вихревых и волновых течений в

жидкости
2.1. Уравнения движения и граничные условия
2.2. Критические условия перестройки течения
2.3. Оценка формы поверхностной каверны
2.4. Требования к методике эксперимента
Глава 3. Методика лабораторных экспериментов
3.1. Экспериментальные исследования закрученных течений в цилиндрической геометрии
3.2. Экспериментальная установка для визуализации течений в составном вихре
3.3. Методика сбора и обработки экспериментальных данных
Глава 4. Основные результаты экспериментальных исследований
4.1. Схема течения в экспериментальной установке. Течение, индуцированное вращающимся диском
4.2. Классификация режимов течения в цилиндрическом контейнере
4.3. Форма поверхностной каверны в тонком слое жидкости
4.4. Форма поверхностной каверны в глубокой жидкости

4.5. Геометрия поверхностной каверны
4.6. Сравнение формы наблюдаемой каверны с результатами расчетов
Глава 5. Перенос вещества в покоящейся и вовлеченной в вихревое
движение жидкости
5.1. Образование каскада вихрей при падении окрашенной капли на свободную
поверхность покоящейся жидкости
5. 2. Трансформация следа окрашенной капли в спиральные рукава на поверхности вращающейся жидкости
5.2.1. Перенос маркирующей примеси из центрального пятна
5.2.1.1. Перенос краски из капли, окрашенной уранилом
5.2.1.2. Перенос краски из капли, окрашенной чернилами
5.2.2. Перенос маркирующей примеси при произвольном расположении пятна
5.2.2.1. Перенос краски из капли, окрашенной уранилом
5.2.2.2. Перенос краски из капли, окрашенной чернилами
5.3. Перенос вещества из следа окрашенной капли в толщу вращающейся жидкости
5.3.1. Перенос краски из капли, окрашенной уранилом
5.3.2. Перенос краски из капли, окрашенной чернилами
5.4. Эволюция размеров областей окрашенной жидкости
Заключение
Благодарности
Литература
Приложение 1. Листинг программы в среде Ма1ЬаЬ применявшейся для первичной обработки экспериментальных данных
Введение

Актуальность темы
Исследованию вихрей, специфической формы течения жидкостей, с (почти) замкнутыми линиями тока и ненулевой завихренностью в ограниченной области пространства посвящено огромное число теоретических (аналитических и численных) и экспериментальных исследований. Интерес к изучению данной формы течений обусловлен несколькими взаимно дополняющими факторами. Основным из них является распространенность данной формы течений в природных условиях и наблюдается широкий динамический диапазон изменчивости их параметров. В земных условиях наблюдаются вихри с масштабами в несколько сотен километров, и в атмосфере (спиральные облачные системы и их крайние формы - тайфуны или ураганы) [1], и в океане (мезомасштабные вихри и кольцевые течения) [2]. Запас кинетической энергии в вихрях может быть достаточно большим, компактные вихри в атмосфере (торнадо) наносят большой экономический ущерб и являются одной из распространенных природных причин гибели людей.
Вихревая форма течений часто организуется в промышленных устройствах для стабилизации физико-химических процессов (например, горения), охраны окружающей среды путем разделения компонент и извлечения твердых и жидких примесей [3].
Завихренностью течения объясняется формирование подъемной силы на крыльях, пропеллерах, лопатках турбин, судовых винтах [4]. Детальные данные по влиянию картины обтекания на гидродинамическое сопротивление и подъемную силу, действующую на тело, движущееся в потоке жидкости или газа приведены в монографиях [5,6].
Стекание вихревой пелены с крыльев и фюзеляжа самолета приводит к формированию протяженных вихревых жгутов, влияющих на безопасность

Рис. 2.2. Форма поверхности медленно вращающейся жидкости в приближении глубокой
воды
Подобная картина свободной поверхности приближенно описывает реальную ситуацию лишь в том случае, когда можно пренебречь динамической частью давления р. В случаях мелкого и глубокого бассейнов это справедливо только тогда, когда С1<С11 и 0.<С1Е. Далее эти случаи следует рассматривать по отдельности.
Для глубоко бассейна, как следует из табл. 1, при данном частотном ограничении имеет место соотношение Я<Р; и К <рЕ, то есть радиус вращающегося диска меньше критических радиусов течения.
При повышении частоты вращения, при 07<С2<С2£ (чему соответствует р1<Я<рЕ) или £2/;<£2 (р/<рЕ<К), в качестве характерного
масштабирующего радиального размера начинает выступать критический инерциальный радиус р,. В этом случае радиус ядра вихря совпадает с критическим инерциальным радиусом р, и меньше радиуса вращающегося диска. В этом случае, форма стационарной каверны на качественном уровне имеет вид, представленный на рис. 2.3. В таком течении практически отсутствует центральный участок каверны, характеризуемый параболоидом вращения.